高思鴻,劉堉學(xué),范怡平,盧春喜
(中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)
現(xiàn)有的氣體凈化技術(shù)如重力沉降器、旋風(fēng)分離器、濕法除塵器、濾芯/濾筒式過(guò)濾器以及顆粒床過(guò)濾器等應(yīng)用較為廣泛,尤其是旋風(fēng)分離器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降低、效率高而應(yīng)用更為普遍[1-5]。然而,旋風(fēng)分離器在分離固體顆粒物時(shí)不能完全除盡粒徑10 μm 左右的顆粒,通常不適用于5 μm 以下的顆粒物的分離[6-9]。因此,需要將多種分離機(jī)理進(jìn)行耦合,以期達(dá)到更好的凈化效果。
為了提高對(duì)亞微米顆粒的捕集效率,Delft 科技大學(xué)[10]開(kāi)發(fā)了一套耦合靜電作用的連續(xù)逆流式移動(dòng)床過(guò)濾器,用于加壓流化床燃燒過(guò)程中高溫高壓氣體凈化。Sibanda等[11-12]提出一種從陶瓷過(guò)濾器中心管進(jìn)氣的錯(cuò)流式陶瓷過(guò)濾器。含塵原料氣通入陶瓷管過(guò)濾器內(nèi)部,其中部分氣體徑向錯(cuò)流穿過(guò)陶瓷濾芯,作為凈化后氣體排出。剩余的氣體沿軸向穿過(guò)陶瓷管,并被引入下游旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離。Sharma 等[13-14]也提出一種類似的錯(cuò)流式陶瓷過(guò)濾器概念。在這種設(shè)計(jì)中,含塵氣體進(jìn)入過(guò)濾器殼體,一部分作為設(shè)備的循環(huán)氣流,沿過(guò)濾器軸向向下流動(dòng)。剩余部分的含塵氣體則從過(guò)濾器濾芯外表面錯(cuò)流穿過(guò)壁面進(jìn)入內(nèi)部空間,凈化后排出。兩種過(guò)濾器原理相仿,均是利用下行氣流對(duì)濾芯表面濾餅的剪切作用,抑制表面濾餅的形成,從而弱化濾芯的堵塞狀況,減少陶瓷過(guò)濾器的反吹頻率。
新型旋流場(chǎng)-顆粒床耦合分離設(shè)備即為一種將旋風(fēng)分離器和內(nèi)置顆粒床過(guò)濾器相耦合的新型氣體凈化方案,從而實(shí)現(xiàn)顆粒狀雜質(zhì)兩級(jí)脫除以及潛在的雜質(zhì)氣體吸附脫除的雙重目標(biāo)。旋風(fēng)分離器采用蝸殼式入口結(jié)構(gòu);顆粒床中的顆粒采用吸附劑,床層橫截面為環(huán)形,設(shè)置在旋風(fēng)分離器內(nèi)部。該設(shè)備利用旋流分離先脫除一部分較大尺寸的固、液顆粒狀雜質(zhì),減少后續(xù)顆粒床過(guò)濾的負(fù)荷;內(nèi)置顆粒床可對(duì)小粒徑粉塵進(jìn)行二次攔截“過(guò)濾”,進(jìn)一步提高氣固分離的效果;同時(shí)利用提升管+噴動(dòng)床組合結(jié)構(gòu)使吸附劑再生,實(shí)現(xiàn)吸附劑的循環(huán)利用、保證裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行,從而達(dá)到節(jié)能、高效的目的。前期研究表明該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好,并結(jié)合旋風(fēng)分離器壓降機(jī)理及顆粒床壓降歐根方程對(duì)該設(shè)備各組成部分所占據(jù)的壓降(即能耗)比例進(jìn)行理論分析,給出該設(shè)備壓降與入口氣量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)方程[15]。同時(shí),在以硅微粉及FCC 平衡劑作為灰塵顆粒的除塵實(shí)驗(yàn)中也均取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[16-17]。但均未對(duì)耦合分離器內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)考察。
除塵設(shè)備的分離效率與粉塵顆粒在設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),而粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)又與設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)性質(zhì)有關(guān),因此研究設(shè)備內(nèi)的流場(chǎng)性質(zhì)是研究與改進(jìn)設(shè)備性能的基礎(chǔ)。旋風(fēng)分離器環(huán)形空間頂部的二次流、排氣管末端的短路流以及灰斗與排塵口的返混都會(huì)影響旋風(fēng)分離器的性能,而這些現(xiàn)象都與旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)有關(guān),因此研究流場(chǎng)性質(zhì)并通過(guò)其來(lái)改進(jìn)旋風(fēng)分離器的性能具有重要的意義[18-19]。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者多年來(lái)已經(jīng)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的性質(zhì)做了大量的研究,證明了蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)是一種非軸對(duì)稱的三維湍流場(chǎng)[20]。胡元等[21-23]對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器的環(huán)形空間、分離空間、灰斗及排氣管的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定:旋風(fēng)分離器內(nèi)部的周向和徑向速度呈現(xiàn)明顯的非軸對(duì)稱分布;環(huán)形空間入口處、近壁和頂部附近,分離空間的內(nèi)旋流區(qū)、排塵口附近、近壁處及上下行流交界點(diǎn)和內(nèi)外旋流交界點(diǎn)等處的湍流程度均非常劇烈,且各向異性。魏耀東等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了蝸殼式旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的切向速度分別在0°~180°和180°~360°處存在增高區(qū)和降低區(qū),而相對(duì)應(yīng)的靜壓分布在這兩個(gè)區(qū)域處是降低區(qū)和增高區(qū)。姬忠禮等[25]采用五孔探針測(cè)定了長(zhǎng)筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)的三維速度場(chǎng),給出了計(jì)算自然旋風(fēng)長(zhǎng)的公式,用于指導(dǎo)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)和分離效率的計(jì)算。
理論上通常采用雷諾應(yīng)力模型或根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)雷諾方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,從而總結(jié)出公式對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的三維湍流場(chǎng)進(jìn)行分析[26-29]。采用雷諾應(yīng)力模型預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓力分布和速度分布精確度較高,與使用五孔探針?biāo)鶞y(cè)的結(jié)果符合度較高[30-31]。宋健斐等[32]采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析表明環(huán)形空間流場(chǎng)的非軸對(duì)稱是因?yàn)槿肟诮Y(jié)構(gòu)呈非軸對(duì)稱,而分離空間的非軸對(duì)稱主要是因?yàn)樾鞯牟环€(wěn)定性。Chao 等[33]應(yīng)用DSM 模型模擬粗旋風(fēng)分離器內(nèi)部的三維氣體流場(chǎng),并用五孔探針實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬結(jié)果,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。
靜壓分布特性可以初步反映設(shè)備內(nèi)氣體流動(dòng)特性,因此本文對(duì)新型旋流場(chǎng)-顆粒床耦合分離設(shè)備內(nèi)部的靜壓分布特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,為更進(jìn)一步考察設(shè)備內(nèi)三維氣相流場(chǎng)及氣體停留時(shí)間分布提供方向和參考。
新型旋流場(chǎng)-顆粒床耦合分離設(shè)備的靜壓分布特性實(shí)驗(yàn)是在一套大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用引風(fēng)微負(fù)壓操作。通過(guò)引風(fēng)機(jī)的作用將常溫常壓下的空氣引入裝置入口,氣流方向如圖1 箭頭所示。氣流沿蝸殼式入口切向進(jìn)入旋風(fēng)殼體產(chǎn)生旋流,并且錯(cuò)流穿過(guò)內(nèi)置顆粒床,匯集到中心排氣管排出。內(nèi)置顆粒床錯(cuò)流區(qū)采用約翰遜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),床層內(nèi)部顆粒采用UOP 公司13X-APG 空分專用分子篩吸附劑產(chǎn)品,平均粒徑2.07 mm。吸附劑顆粒自上部料倉(cāng)流入顆粒床夾層內(nèi),在錯(cuò)流區(qū)將入口氣流中含有的雜質(zhì)捕集,之后待生顆粒通過(guò)斜管輸往后續(xù)的顆粒再生系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)吸附劑顆粒的再生,并送回頂部料倉(cāng),完成吸附劑顆粒的循環(huán)回路。主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.1 Schematic diagram of experimental setup
表1 C-CGBF分離設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Main geometrical dimensions of C-CGBF system
對(duì)該新型旋流場(chǎng)-顆粒床耦合分離設(shè)備的靜壓分布特性的考察主要分兩部分:環(huán)形空間和分離空間。設(shè)備的入口采用蝸殼式,且入口部分對(duì)應(yīng)的顆粒床壁面采用不銹鋼壁面,即進(jìn)入設(shè)備的氣體在該環(huán)形空間內(nèi)不能在此區(qū)域錯(cuò)流穿過(guò)顆粒床,僅在旋風(fēng)分離器殼體內(nèi)形成旋流向下運(yùn)動(dòng)。在入口對(duì)應(yīng)位置以下,為內(nèi)置顆粒床的錯(cuò)流區(qū),采用約翰遜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),如圖1 所示。耦合設(shè)備的分離空間即為旋風(fēng)殼體與內(nèi)置顆粒床錯(cuò)流區(qū)對(duì)應(yīng)的空間,含塵氣體在此處經(jīng)旋流作用完成氣固初次分離。入口含塵氣體在旋風(fēng)殼體中通過(guò)旋流作用將夾雜在其中的大部分固體顆粒脫除,初次凈化后的氣體錯(cuò)流穿過(guò)顆粒床,顆粒床進(jìn)一步捕獲粒徑較小的顆粒。
實(shí)驗(yàn)氣體為常溫常壓下的空氣,考察不同入口氣量Q下該耦合設(shè)備的軸向、周向、徑向的靜壓分布情況,各氣量下對(duì)應(yīng)的設(shè)備入口氣速及設(shè)備總靜壓差見(jiàn)表2。
表2 設(shè)備入口氣速及設(shè)備靜壓差Table 2 Inlet gas velocities and pressure drop of equipment
圖2 設(shè)備測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Measurement points of equipment
實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。沿旋風(fēng)殼體順時(shí)針布置0°、90°、180°、270°四個(gè)角度的軸向測(cè)線,其中蝸殼入口切點(diǎn)處測(cè)線定義為0°方位角軸向測(cè)線。在四條軸向測(cè)線上自上至下分別設(shè)置12 個(gè)測(cè)點(diǎn)。徑向上取5 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量:壓力探頭插入設(shè)備內(nèi)部距殼體壁面的距離S分別為0、2、4、6、7 cm。插入深度S為0 時(shí),測(cè)量殼體內(nèi)壁面處的靜壓;插入深度S為7 cm,測(cè)量?jī)?nèi)置顆粒床外壁面處的靜壓;對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的無(wú)量綱徑向位置r/R=(R-S)/R,其中R為旋風(fēng)筒體內(nèi)半徑。
各測(cè)點(diǎn)靜壓采用微壓差變送器進(jìn)行測(cè)量,量程為0~1 kPa,精度等級(jí)為0.25 級(jí),輸出信號(hào)為4~20 mA 的直流電流,信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化后,輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并記錄,數(shù)據(jù)記錄頻率為1 Hz。
為便于比較,將采集到的各測(cè)點(diǎn)表壓與裝置出口測(cè)點(diǎn)處表壓作差,并與設(shè)備靜壓差作比將其無(wú)量綱化,得到設(shè)備內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的無(wú)量綱靜壓,即
設(shè)備入口和出口管路上兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)設(shè)置在:距天圓地方入口的距離為200 mm 處的進(jìn)氣管(直徑Di=182 mm)上;距中心升氣管(直徑Do=118 mm)下端距離為1500 mm處出口管上。
圖3 環(huán)形空間無(wú)量綱靜壓分布Fig.3 Distribution of dimensionless static pressure at annular space
設(shè)備入口環(huán)形空間內(nèi)四個(gè)方位角處的靜壓分布如圖3 所示。圖3(a)~(e)為在不同入口氣量下,無(wú)量綱靜壓在不同徑向位置的分布情況。從圖中可以看出,隨著入口氣量的增大,相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的無(wú)量綱靜壓減小,說(shuō)明入口氣體在高氣量下靜壓損失增大。這部分靜壓損失除部分因管路摩擦損失外,大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾鬟\(yùn)動(dòng)的動(dòng)壓頭,因此,入口氣量增大可以增強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部氣體旋流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。
雖然相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的無(wú)量綱靜壓隨入口氣量的增大略有減小,但在各氣量下從0°方位角到270°方位角的變化趨勢(shì)一致,均在180°方位角處出現(xiàn)最小值,270°方位角時(shí)略有增大,即0°~180°和180°~360°分別是靜壓分布的降低區(qū)和增高區(qū),這與魏耀東等[24]對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果類似。這種分布結(jié)果是由蝸殼式入口結(jié)構(gòu)所決定的,氣流經(jīng)切向入口進(jìn)入環(huán)形空間產(chǎn)生旋流作用,入口氣體的部分靜壓轉(zhuǎn)變成氣流旋流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,氣流靜壓迅速減小;在180°方位角后,大部分氣流旋流向下運(yùn)動(dòng),流出環(huán)形空間,無(wú)法到達(dá)270°方位角,此處形成背壓空腔;而且,此處與0°方位角較為接近,極易形成短路流,造成靜壓上升。入口處?kù)o壓與180°方位角處?kù)o壓之間的差值,與設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的旋流場(chǎng)強(qiáng)度有較大相關(guān)性,具體量化需結(jié)合速度場(chǎng)進(jìn)行。
圖4 分離空間及灰斗部分軸向靜壓分布(0°)Fig.4 Axial static pressure distribution in separation space and ash hopper(0°)
圖5 分離空間及灰斗部分軸向靜壓分布(90°)Fig.5 Axial static pressure distribution in separation space and ash hopper(90°)
為了便于比較此環(huán)形空間的徑向靜壓分布情況,對(duì)不同氣量下的無(wú)量綱靜壓分布進(jìn)行算術(shù)平均,如圖3(f)所示。各測(cè)點(diǎn)隨著插入深度的增大,對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱靜壓也在減小。但在180°和270°方位角處,當(dāng)插入深度達(dá)到S=7 cm 時(shí),即貼近內(nèi)置顆粒床壁面處時(shí),無(wú)量綱靜壓出現(xiàn)反常增大,這是由于氣流在經(jīng)過(guò)顆粒床壁面時(shí),部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壁面處的靜壓所致。
圖4(a)~(e)為0°方位角軸向測(cè)線處測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱靜壓分布情況??梢钥闯鲈诓煌瑥较蛭恢?,無(wú)量綱靜壓均在設(shè)備分離空間上部出現(xiàn)最小值,此處靠近設(shè)備中心排氣管,負(fù)壓值最大,容易產(chǎn)生短路流現(xiàn)象;此處徑向錯(cuò)流氣速較大,經(jīng)該處排出的氣體也較多。在旋流的作用下,氣體存在軸向向下運(yùn)動(dòng)分量,起到對(duì)錯(cuò)流氣體的軸向均布作用,可有效緩解此處的短路流動(dòng)。在同一徑向位置時(shí),不同氣量下無(wú)量綱靜壓在軸向位置上的變化趨勢(shì)基本一致,且在同一徑向位置同一軸向測(cè)點(diǎn)處不同氣量下的無(wú)量綱靜壓相差不大;尤其在錐體N8 測(cè)點(diǎn)(H=2175 mm,H為測(cè)點(diǎn)距旋風(fēng)上頂板軸向距離)以后,同一徑向位置的無(wú)量綱靜壓值基本不隨軸向位置和氣量的變化而變化;隨著分離空間向下延伸,錯(cuò)流排出的氣體逐漸增多,芯管負(fù)壓和旋流作用的影響也逐漸減小,因此軸向上的無(wú)量綱靜壓逐漸趨于穩(wěn)定。
圖6 分離空間及灰斗部分軸向靜壓分布(180°)Fig.6 Axial static pressure distribution in separation space and ash hopper(180°)
為了方便比較各測(cè)點(diǎn)在不同徑向位置處的無(wú)量綱靜壓,對(duì)不同氣量下的無(wú)量綱靜壓數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均,如圖4(f)所示。同一測(cè)點(diǎn)不同徑向位置的無(wú)量綱靜壓變化可以視作氣體徑向流動(dòng)的動(dòng)壓頭增量。隨著徑向插入深度的增加,各測(cè)點(diǎn)處的無(wú)量綱靜壓減小,與設(shè)備入口環(huán)形空間相似。隨著設(shè)備分離空間向下延伸,各測(cè)點(diǎn)在不同徑向位置處無(wú)量綱靜壓的差值逐漸變小,說(shuō)明氣體徑向流動(dòng)的氣速隨著軸向高度H的增加逐漸減小,錯(cuò)流氣體量在軸向上存在不均勻分布的現(xiàn)象,即越靠近中心排氣管上部,氣流錯(cuò)流穿過(guò)內(nèi)置顆粒床夾層的氣量越大??拷诿嫣帲╮/R=0.632)測(cè)點(diǎn)的無(wú)量綱靜壓反常增大,這是由于氣流在錯(cuò)流穿過(guò)顆粒床時(shí),在壁面處有部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了氣體靜壓。
圖5~圖7 分別為90°、180°和270°方位角對(duì)應(yīng)軸向測(cè)線各測(cè)點(diǎn)的無(wú)量綱靜壓分布情況。將四個(gè)方位角處測(cè)點(diǎn)在不同氣量下無(wú)量綱靜壓進(jìn)行算術(shù)平均,即圖4(f)、圖5(f)、圖6(f)和圖7(f),匯總?cè)鐖D8所示。
不同方位的測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱靜壓在軸向上的分布規(guī)律基本相似,均在分離空間上部出現(xiàn)最小值。在同一方位同一徑向位置時(shí),不同氣量下無(wú)量綱靜壓在軸向位置上的變化趨勢(shì)也保持基本一致;在同一徑向位置同一軸向測(cè)點(diǎn)處,不同氣量下的無(wú)量綱靜壓相差不大。尤其在錐體N8測(cè)點(diǎn)以后,無(wú)量綱靜壓值基本不隨軸向位置和氣量的變化而變化,即趨于穩(wěn)定。而且,不同方位角上的無(wú)量綱靜壓最終均穩(wěn)定在0.94左右。
雖然不同方位的測(cè)點(diǎn)無(wú)量綱靜壓均在分離空間上部出現(xiàn)最小值,但就其數(shù)值上,各方位上的最小無(wú)量綱靜壓值有所不同:0°和270°方位角處無(wú)量綱靜壓的最小值均在0.88 左右;180°方位角處無(wú)量綱靜壓的最小值約為0.86;而90°方位角處無(wú)量綱靜壓的最小值約0.82。這說(shuō)明設(shè)備內(nèi)部靜壓在周向上存在非對(duì)稱分布的現(xiàn)象。靜壓的信息可以初步反饋設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)狀況,與旋風(fēng)分離器類似,氣體經(jīng)蝸殼式入口結(jié)構(gòu)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的旋流場(chǎng),在周向上存在非對(duì)稱分布的現(xiàn)象,且軸向方向從上往下,非對(duì)稱分布現(xiàn)象逐漸減小。
圖7 分離空間及灰斗部分軸向靜壓分布(270°)Fig.7 Axial static pressure distribution in separation space and ash hopper(270°)
(1)設(shè)備入口環(huán)形空間的靜壓分布可以確定設(shè)備內(nèi)部旋流強(qiáng)度與入口氣速之間存在聯(lián)系,具體的量化關(guān)系還需結(jié)合氣相三維速度場(chǎng)進(jìn)行分析。
(2)分離空間及灰斗部分的靜壓分布規(guī)律:在各方位角處,設(shè)備內(nèi)部的無(wú)量綱靜壓在軸向測(cè)點(diǎn)中均在分離空間的上部出現(xiàn)最小值,此處靠近設(shè)備芯管出口,也是徑向氣流最大的部位,有可能產(chǎn)生較大的短路流,需采取措施避免;同時(shí)設(shè)備內(nèi)部的無(wú)量綱靜壓均在軸向N8(H=2175 mm)測(cè)點(diǎn)以后趨于穩(wěn)定,這說(shuō)明內(nèi)部負(fù)壓中心以及旋流場(chǎng)產(chǎn)生的影響在N8(H=2175 mm)測(cè)點(diǎn)以下不再明顯,對(duì)于確定合適的設(shè)備高度有指導(dǎo)意義;設(shè)備靜壓分布在周向上呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱分布,這也反映出設(shè)備內(nèi)的氣相錯(cuò)流流動(dòng)在周向上存在不均勻分布現(xiàn)象。
符 號(hào) 說(shuō) 明
Di,Do——分別為進(jìn)氣管和中心升氣管直徑,mm
H——測(cè)點(diǎn)距旋風(fēng)上頂板軸向距離,mm
ΔP——設(shè)備靜壓差,Pa
Q——入口氣量,m3/h
r/R——無(wú)量綱徑向位置
S——探針插入深度,cm
u——入口氣速,m/s
下角標(biāo)
i——入口處
N——測(cè)點(diǎn)編號(hào)
o——出口處
圖8 不同氣量下平均無(wú)量綱靜壓分布Fig.8 Average dimensionless static pressure distribution under different inlet gas flow rate